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Vol.064 你的手机是如何拍照的?

当你打开手机,准备拍照,镜头会首先把被摄景物投影在图像传感器上,与此同时,影像处理器会通过测光、测距,算出合适的参数并指示镜头对焦。

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随着你按下拍摄键,图像传感器就会完成一次曝光,并通过影像处理器变成图片,再经手机应用的后期处理,最终呈现在屏幕上。

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而这其中的每一步,都关系到这张照片的画质,尤其在光线昏暗的夜晚。

拍照,最基本的是视角。这是凸透镜的成像原理,一个物体由无数个点光源组成,单个点光源从各个方向发出光线经透镜折射后,都将汇聚在一点上,最终所有点光源都投射在一个平面上,也就是图像传感器的位置,形成清晰的倒像,而这个角度就是视角。

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其中,平行光经透镜折射后将汇聚在焦点上,焦点到透镜的距离称为焦距,而物体和传感器到透镜的距离称为物距和像距,三者的关系满足高斯公式。

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可以看出,当焦距越长,或传感器越小,视角就越窄。

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受尺寸限制,手机镜头的像距很短,所以物理焦距也必须非常短,通常在 4mm 左右,远小于单反相机标准镜头 35-50mm 的焦距。

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不过,手机的图像传感器也很小,配合短焦镜头,视角正好与标准镜头类似。

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选好视角,好看的照片还要靠曝光,主要由光圈值、快门速度和感光度决定。

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光圈是镜头上用于控制通光量的结构,相当于人眼的瞳孔。镜头焦距越长,视角越窄,入射的光线也就越少,需要更大的光圈直径以获得更多的光。

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所以,光圈值被设定为焦距的分数,称为光圈 f 值。对于单反相机镜头,光圈值 f/2.8 ,即光圈直径是焦距的 1/2.8 ,就算大光圈了。

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而手机镜头由于焦距短,一般最大光圈可达 f/2.0 ,OPPO Reno 系列使用的 IMX 586 甚至达到了 f/1.7 。

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f 值越小,就能给图像传感器投射越多的光,提高成像质量,这对于夜间拍摄尤其重要。

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除了大光圈,夜间拍摄还要尽可能放慢快门,延长曝光,但这样一来,手持拍摄的抖动就成了大问题。而长焦镜头对抖动更加敏感。

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于是,OPPO 在 Reno 10 倍变焦版里加入了棱镜光学防抖,利用两个以上的压电传感器获取抖动的加速度信息,然后通过长焦镜头内一枚棱镜的移动来补偿抖动产生的影像错位。

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当然,影响成像质量最核心的还是图像传感器。

这是一块 CMOS 图像传感器,上面排列着上千万的像素,每个像素里的光电二极管在遇到光时,就会因为光电效应积累一定数量的电荷,将光信号转为电信号。

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由于光电二极管无法识别颜色,所以不同像素上还要覆盖红绿蓝三种滤色片,按 1:2:1 的比例设置,以模仿对绿光敏感的人眼,这称为拜尔阵列,能分别识别三原色。

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此外,每个像素周围都有专门的放大电路,能把转化出来的电信号不同倍率地放大,可以理解为相机的感光度。

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感光度越高,相机对光线越敏感,照片也越亮,但噪点也会越多。这是因为每个像素都会因为电路干扰产生固定的噪音信号,在高感光度下,噪音信号也会被放大,出现噪点。

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噪点问题可以通过增大像素面积来缓解。在有噪音信号的情况下,大像素可以收集更多有用的光信号,增加信噪比,从而减少噪点。

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手机使用的主流传感器一般在 1/2.9 到 1/2.3 英寸之间,而 OPPO Reno 等机型,就使用了更大的 1/2 英寸传感器。

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Reno 的传感器还使用了像素聚合技术,通过改变滤色片的排列方式,在光线充足时使用单像素曝光,而在光线不足时就将四个像素拼成一个,四倍的像素面积,带来更加纯净的夜景照片。

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需要注意,图像传感器上的信息输出后,是拜尔式排列的 RGB 点阵,必须再经过 ISP 图像信号处理器转化为我们常见的点阵图片。

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而近年流行的多摄像头,如加装黑白摄像头以保留更多暗部光线信息;或用景深摄像头拍摄多张对焦距离不同的照片,记录景深信息,就需要多个 ISP 。

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然而,手机镜头毕竟太小,图像传感器的宽容度有限,无法同时覆盖太高和太低的亮度范围。在夜间拍摄时往往高光部分一片全白,而暗部漆黑一片,还有噪点。

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这就要靠手机应用的后期力量了。

比如 HDR 高动态范围成像,用不同的曝光水平拍摄多张照片,再将这批照片中细节最好的部分合成为一张照片,让夜景照片也能拥有更多细节。

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而在 Reno 上,OPPO 的超清夜景 2.0 还实现了对夜景人像的专门优化,将人和周围的景物分别处理,避免出现脸色惨白的情况,还原真实的人脸肤色。

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同时,OPPO 还改进了超清夜景模式算法,将拍摄的等待时间从 4-5 秒降低到 2-3 秒。

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在这些技术的加持下,即便是贞子,也能在夜间拍摄时重获少女心。

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  • Mar 29, 2020. By parozhao
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